CN110685742A - 一种煤矿井下排水自动化控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下排水自动化控制***，包括：第一层为设备层，第二层为控制层，第三层为传输层，第四层为管理层。设备层由传感器、执行器、摄像仪组成；控制层由排水控制器组成；传输层由交换机、光缆组成；管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成。控制层通过排水控制器与设备层进行数据交换，为设备层内各种设备进行供电。控制层通过排水控制器内置的交换机接入传输层交换机，传输层通过交换机连接管理层上位机和服务器。本发明解决传统排水集控***PLC控制箱和组合开关分离带来的现场接线多、维护量大的问题；同时本发明具有现场音视频监控、手机APP信息浏览与报警功能，为真正实现井下水泵房无人值守奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及排水***的监测监控领域，尤其涉及到一种用于煤矿井下水泵房的排水集控***。
背景技术
煤矿井下排水***作为煤矿生产中的主要工作***之一，在煤矿安全问题中占有重要地位。实现井下排水的自动化控制不仅会提高排水效率，还为矿山的安全生产提供可靠的安全保证。目前，煤矿井下排水***存在以下问题：井下排水作业采用人工现场操作方式，无法科学、合理地调度排水量和排水时间；井下水泵操作人员要到达现场根据目测液位传感器数值高低来启停水泵，经常出现井下水量突然增大的时候不能及时开启水泵，导致水仓溢水；传统人工控制的排水***存在可靠度不高、效率低下、检修维护困难的问题，无法做到数据实时监测、记录、上传，出现故障后无法从历史记录中分析及查看，不能满足数字化和信息化的高速发展等问题。
近些年以来，虽有排水集控***应用，代替了部分人工现场工作，但在实际运行中仍存在一定的问题：采用单一工作原理传感器进行液位监测(多为投入式液位传感器)，受现场水质影响会出现数据不准的情况；采用PLC控制箱和组合开关分别进行逻辑判断和驱动水泵及阀门启停，现场设备多、接线多、不便维护；数据虽然上传至地面集控室工控机，但仅集控室值班人员能看到，管理人员无法及时获悉现场情况。
发明内容
本发明的目的是解决传统排水集控***液位传感器单一易受环境影响，PLC控制箱和组合开关分离带来的现场接线多、维护量大，现场数据及设备状态无法及时被管理人员获悉等问题。
为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种煤矿井下排水自动化控制***，***由四个层次构成，第一层为设备层，第二层为控制层，第三层为传输层，第四层为管理层；
其中，设备层用于采集现场数据传输给控制层，并接收控制层的命令实现设备启停；控制层用于接收设备层数据，进行数据处理、显示，并通过传输层将数据上传给管理层；传输层用于实现控制层和管理层的数据通讯；管理层用于接收控制层经传输层上传的数据，并实现数据存储、显示、发布以及人机交互。
在本发明中，设备层包括传感器、执行器和摄像仪，传感器有液位传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器，执行器有电动闸阀、电动球阀和水泵，摄像仪为音视频一体化云台摄像仪；
其中，传感器中采用两种不同测量原理的液位传感器进行水仓液位测量；
在本发明中，控制层包括排水控制器；
其中，排水控制器由真空接触器、交换机、综合保护器、PLC、开关电源、后备电池、变压器、触摸屏组成。
在本发明中，传输层包括交换机、光缆；
其中，交换机间通过光缆首位相连构成以太环网。
在本发明中，管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成。
其中，上位机软件采用组态软件，该软件可以将数据通过路由器经过内网/公网发布到手机APP上面，供管理人员查看。该软件结合摄像仪可实现水泵启动的音视频联动。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明设备层下传感器中采用两种不同测量原理的液位传感器进行水仓液位测量，可实现液位数据的准确判断。(2)本发明控制层下排水控制器将PLC、接触器、后备电池、交换机、触摸屏等结合在一起，可实现逻辑判断、水泵及阀门驱动、传感器供电、数据传输等功能，井下短暂断电也可正常维持***运行。(3)本发明传输层下交换机形成光纤环网，某个交换机损坏下仍能实现其他交换机下数据正常上传。(4)本发明管理层上位机软件具有将数据发布到手机APP上面，方便管理人员查看，同时结合摄像仪能够实现水泵启动的音视频联动控制，在地面集控室可看到现场情况听到现场声音，真正实现无人化值守。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是煤矿井下排水自动化控制***整体结构示意图；
图2是煤矿井下排水自动化控制***设备层设备配置示意图；
图3是煤矿井下排水自动化控制***控制层设备配置示意图；
图4是煤矿井下排水自动化控制***管理层手机APP发布流程示意图；
图5是煤矿井下排水自动化控制***管理层水泵启动的音视频联动流程示意图；
图6是煤矿井下排水自动化控制***两台水泵水平布置时预制点的设置示意图。
具体实施方式
图1是煤矿井下排水自动化控制***整体结构示意图。煤矿井下排水自动化控制***由四个层次构成，第一层为设备层，设备层包括传感器、执行器和摄像仪，传感器有液位传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器，执行器有电动闸阀、电动球阀和水泵，摄像仪为音视频一体化云台摄像仪；第二层为控制层，控制层包括排水控制器，控制层用于接收设备层数据，进行数据处理、显示，并通过传输层将数据上传给管理层；第三层为传输层，传输层包括交换机、光缆，传输层用于实现控制层和管理层的数据通讯；第四层为管理层，管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成，管理层用于接收控制层经传输层上传的数据，并实现数据存储、显示、发布以及人机交互。控制层通过排水控制器与设备层内各设备进行数据交换，同时为设备层内各种设备进行供电。控制层通过排水控制器内置的交换机接入传输层交换机，传输层通过交换机连接管理层上位机和服务器。
图2是煤矿井下排水自动化控制***设备层设备配置示意图。以一个排水泵房作为一个单元进行阐述，每个单元通常配备有两台排水泵1(一主一备)，一个投入式液位传感器7，一个超声波液位传感器8，一台音视频云台摄像仪9，每台水泵配备有一个温度传感器2，两个压力传感器3，两个电动球阀4，一个电动闸阀5，一个流量传感器6。水仓液位由投入式液位传感器7和超声波液位传感器8分别进行实时在线检测，流量传感器6用来检测水泵排水时的实时流量，压力传感器3分别用来检测水泵排气口压力和水泵排水口压力，电动球阀4用来对水泵进行注水和排气，电动闸阀5用来进行排水，音视频云台摄像仪9用来采集现场的视频和音频信息。本发明采用投入式和超声波两种不同原理的液位传感器进行水仓液位的检测，当两个传感器数值相差不大时以不与介质直接接触的超声波液位传感器为液位检测依据，当相差较大时，由人工根据历史数据或者现场情况进行传感器切换，这样可避免单一传感器造成的测量数据不准确。
图3是煤矿井下排水自动化控制***控制层设备配置示意图。以一个排水控制器作为一个单元进行阐述，每个排水控制器由防爆外壳1，真空接触器2，综合保护器3，变压器4，直流电源5，后备电池6，PLC7，触摸屏8，交换机9组成。其中，外部输入660V AC通过防爆外壳1上喇叭口接入，一路经过真空接触器2后通过喇叭口为执行器电动闸阀供电，综合保护器对真空接触器上电压、电流进行检测及保护；另一路经过变压器4后降压为220V AC后作为直流电源5的输入，直流电源5将220V AC变为24V DC，分别为综合保护器3、PLC7、触摸屏8以及交换机9进行供电，同时也为执行器电动球阀和摄像仪供电。后备电池6用于在外部输入断电时为直流电源供电。PLC7是整个排水控制器的核心，一方面用于采集外部信号，包括水泵温度传感器温度信号、注水和排气压力传感器压力信号、投入式和超声波式液位传感器液位信号、排水管流量传感器流量信号等外部传感器信号以及电动球阀和电动闸阀运行信号、故障信号、到位信号等外部执行器信号。另一方面进行数据转换、逻辑运算以及信号输出，通过对各种信号判断进而输出给执行器进行动作。触摸屏8连接PLC7，用于数据显示、故障报警、人机交互等。交换机9一方面连接PLC7，另一方面接入外部摄像仪信号，实现与上层设备的数据通讯。
自动化排水控制的具体原理为：当液位传感器检测到水位到达开泵水位时，PLC发出指令给电动球阀，注水和排气电动球阀开始启动，清水管路给排水泵进行注水，PLC进行注水计时，同时排水泵排气口开始外排气体，排气口压力传感器进行压力检测。当排水泵内空气因注水而排完后，水会从排气口溢出，此时压力传感器检测到的压力值大于设置的排气口压力，PLC认为排水泵注水已满，或者实际的注水时间大于设置的注水时间，PLC发出指令给电动球阀，使得注水和排气电动球阀关闭。PLC同时发出指令给真空接触器，使得真空接触器合闸，驱动排水泵启动。排水泵启动后，PLC发出指令给电动闸阀，电动闸阀开始启动，出水口压力传感器开始监测到排水压力，流量传感器开始检测排水流量。待液位传感器检测到水位下降到停泵水位时，PLC发出停泵指令，电动闸阀开始关闭，待PLC监测到电动闸阀关闭到位信号时，发出信号给真空接触器分闸，排水泵停止排水。
如图1所示，管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成。其中，上位机软件采用组态软件，该软件可以将显示画面通过路由器经过内网/公网发布到手机APP上面，供管理人员查看。图4是煤矿井下排水自动化控制***管理层手机APP发布流程示意图。首先在组态软件中创建项目，通常一个排水***为一个项目。项目创建完毕后创建变量，变量即各种传感器信号以及执行器信号，变量需要与PLC采集的数据相关联。变量创建完毕后打开APP客户端开发工具，将变量传送到开发工具中。然后进行用户权限配置，即对不同的用户开放不同的数据浏览和数据报警权限。接着使用APP客户端开发工具将数据端口服务开启，至此数据即进行了发布。最后在手机APP客户端上面输入用户名和密码登录后即可查看实时数据和报警数据。图5是煤矿井下排水自动化控制***管理层水泵启动的音视频联动流程示意图。首先进行通讯测试，在上位机视频软件中查看摄像仪图像以及声音，表明通讯正常。接着在上位机视频软件中设置预制点，图6是煤矿井下排水自动化控制***两台水泵水平布置时预制点的设置示意图。根据水泵与摄像仪的位置关系分别设置预制点1和预制点2，预置点1和预制点2分别与水平方向以及垂直方向的夹角为α1、β1以及α2、β2，在视频软件中调整至图中预置点位置。接着针对不同的位置生成不同的脚本语言。随后在组态软件中组态画面，建立水泵视频联动画面。接着在画面中创建变量，分别创建水泵1启动信号变量1和水泵2启动信号变量2。然后将水泵启动信号变量与各自的脚本语言进行关联，启动水泵1时将摄像头转移到预置点1，启动水泵2时将摄像头转移到预制点2，最终实现水泵启动音视频联动。
以上显示了本发明的基本原理、主要特征等，其仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种煤矿井下排水自动化控制***，其特征在于，***由四个层次构成，第一层为设备层，第二层为控制层，第三层为传输层，第四层为管理层；
其中，设备层用于采集现场数据传输给控制层，并接收控制层的命令实现设备启停；
控制层用于接收设备层数据，进行数据处理、显示，并通过传输层将数据上传给管理层；
传输层用于实现控制层和管理层的数据通讯；
管理层用于接收控制层经传输层上传的数据，并实现数据存储、显示、发布以及人机交互。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下排水自动化控制***，其特征在于，所述
设备层包括传感器、执行器和摄像仪，传感器有液位传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器，执行器有电动闸阀、电动球阀和水泵，摄像仪为音视频一体化云台摄像仪；
其中，液位传感器采用两种不同测量原理进行水仓液位测量。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下排水自动化控制***，其特征在于，所述
控制层包括排水控制器；
其中，排水控制器由真空接触器、交换机、综合保护器、PLC、开关电源、后备电池、变压器、触摸屏组成。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下排水自动化控制***，其特征在于，所述
传输层包括交换机、光缆；
其中，交换机间通过光缆首尾相连构成以太环网。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下排水自动化控制***，其特征在于，所述管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成；
其中，上位机软件采用组态软件，数据通过路由器经过内网/公网发布到手机APP上面，供管理人员查看；
该软件结合摄像仪实现水泵启动的音视频联动。
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